Os coletores solares híbridos térmicos fotovoltaicos, às vezes conhecidos como sistemas híbridos PV / T ou PVT, são sistemas que convertem a radiação solar em energia térmica e elétrica. Esses sistemas combinam uma célula solar, que converte a luz solar em eletricidade, com um coletor solar térmico, que captura a energia restante e remove o calor residual do módulo fotovoltaico. e, portanto, ser mais eficiente em termos energéticos do que a energia solar fotovoltaica (PV) ou solar térmica sozinha. Uma quantidade significativa de pesquisa foi dedicada ao desenvolvimento da tecnologia de PVT desde a década de 1970.

As células fotovoltaicas sofrem uma queda na eficiência com o aumento da temperatura devido ao aumento da resistência. Tais sistemas podem ser projetados para transportar o calor das células fotovoltaicas, resfriando assim as células e, assim, melhorando sua eficiência diminuindo a resistência. Embora este seja um método eficaz, faz com que o componente térmico tenha um desempenho inferior ao de um coletor solar térmico.

Princípios
Elementos fotovoltaicos (células fotovoltaicas, tipicamente dopados com silício) transformam a luz solar (faixa visível) em diferença de potencial e corrente elétrica, enquanto a parte do sensor térmico (absorvedor ou “concentrador” …) recupera energia calórica emitida pelo sol (em particular radiação infra-vermelha geralmente perdida na forma de calor disperso pelo painel) por meio de um refrigerante (ar ou água / glicol, injetado por uma bomba cujo funcionamento é alimentado por eletricidade).

A eletricidade produzida pode ser usada localmente imediatamente ou após o armazenamento (bateria), ou ser injetada na rede elétrica (revenda / compra).

O calor produzido pode ser conectado a qualquer instalação térmica convencional, usada para aquecimento ou pré-aquecimento de ar ou água doméstica (água quente doméstica, piscina, …), uma unidade de secagem, …

Tipos de sistema
Um número de coletores PV / T em diferentes categorias estão comercialmente disponíveis e podem ser divididos nas seguintes categorias:

Coletor de líquido PV / T
Coletor de ar de PV / T
PV / Ta Liquid e coletor de ar
Concentrador PV / T (CPVT)

Coletor de líquido PV / T
O projeto básico resfriado a água usa um canal para direcionar o fluxo de fluido usando tubulação de vários materiais ou placas fixadas na parte de trás de um módulo fotovoltaico. O arranjo de fluxo de fluido através do elemento de resfriamento determinará a quais sistemas os painéis são mais adequados.

Em um sistema padrão baseado em fluido, um fluido de trabalho, normalmente água, glicol ou óleo mineral é então canalizado através desses tubos ou resfriadores de placa. O calor das células fotovoltaicas é conduzido através do metal e absorvido pelo fluido de trabalho (presumindo que o fluido de trabalho é mais frio que a temperatura de operação das células). Em sistemas de circuito fechado, esse calor é exaurido (para resfriá-lo) ou transferido para um trocador de calor, onde flui para sua aplicação. Em sistemas de malha aberta, esse calor é usado ou exaurido antes de o fluido retornar às células fotovoltaicas. Também é possível dispersar nanopartículas no líquido para criar um filtro de líquido para aplicações de PV / T. A vantagem básica deste tipo de configuração dividida é que o coletor térmico e o coletor fotovoltaico podem operar em diferentes temperaturas.

Coletor de ar de PV / T
O projeto básico refrigerado a ar usa um alojamento de metal condutivo oco para montar os painéis foto-voltaicos (PV). O calor é irradiado dos painéis para o espaço fechado, onde o ar é circulado em um sistema HVAC do edifício para recuperar a energia térmica, ou sobe e é expelido do topo da estrutura.

Enquanto a transferência de energia para o ar não é tão eficiente quanto um coletor de líquido, a infraestrutura necessária tem menor custo e complexidade; basicamente uma caixa de metal rasa. A colocação de painéis fotovoltaicos pode ser vertical ou angular.

Concentrador PV / T (CPVT)
Um sistema concentrador tem a vantagem de reduzir a quantidade de células fotovoltaicas (PV) necessárias, de tal forma que células fotovoltaicas de junção múltipla mais caras e eficientes possam ser usadas para maximizar a proporção de energia elétrica de alto valor produzido versus térmica de menor valor. poder. Uma limitação importante dos sistemas de alto concentrador (HCPV e HCPVT) é que eles mantêm sua vantagem sobre os coletores convencionais de c-Si / mc-Si somente em regiões que permanecem consistentemente livres de contaminantes atmosféricos de aerossóis (por exemplo, nuvens claras, smog, etc. ). O desempenho do sistema concentrador é especialmente degradado porque 1) a radiação é refletida e espalhada fora do ângulo de aceitação pequeno (geralmente menor que 1 ° -2 °) da óptica de coleta, e 2) a absorção de componentes específicos do espectro solar causa um ou mais junções de série dentro das células MJ para desempenho inferior.

Os sistemas concentradores também exigem sistemas de controle confiáveis ​​para rastrear com precisão o sol e proteger as células fotovoltaicas de condições de temperatura excessiva. Sob condições ideais, cerca de 75% da energia dos sóis incidentes diretamente sobre esses sistemas podem ser reunidos como eletricidade e calor. Para mais detalhes, veja a discussão do CPVT no artigo sobre fotovoltaicos concentrados.

Estrutura de um coletor de PVT
Como mencionado, um coletor de PVT é uma associação de um coletor fotovoltaico e um trocador de calor. O coletor fotovoltaico é quase sempre do tipo envidraçado, para reduzir a perda de calor.

Coletores com câmara de ar frontal
Eles exploram o efeito estufa. Eles são usados ​​quase exclusivamente para troca de calor com ar.

Coletores sem tubo interno
O tipo mais comum. Aqui a troca de calor é realizada na parte de trás do coletor fotovoltaico; é uma estrutura obrigatória no caso do resfriamento líquido, já que o trocador iria mascarar as células fotovoltaicas, e em qualquer caso tem a vantagem de uma localização traseira dos tubos de fornecimento e extração de fluido, que de outra forma apresentariam problemas de sombreamento.

Coletores de líquido
Em comparação com um coletor fotovoltaico normal, em um coletor de líquido há a adição de um trocador de calor e seu isolamento. Este permutador pode ser de várias formas; nos casos mais frequentes, é composta de tubos de cobre aderentes, com várias tecnologias, para a camada traseira ou, de forma mais eficaz, consiste em um trocador roll-bond de alumínio, que permite uma melhor transmissão de calor. A troca de calor com o coletor de líquido é muito eficaz para o resfriamento das células fotovoltaicas, aumentando seu rendimento.

Coletores de Concentração
Ao abandonar o uso de células de silício e introduzir a tecnologia de filme fino, é possível projetar um painel híbrido que veja o uso da concentração solar. Uma aplicação interessante vê a presença de um concentrador de CPC (do concentrador inglês Composto Parabólico) no fogo do qual um tubo é colocado em cuja superfície lateral é colocado um filme de células de película fina (por exemplo CIS ou CIGS). Esta configuração permite obter maiores rendimentos de células fotovoltaicas (graças à concentração) mas ao mesmo tempo uma remoção de calor mais eficaz (uma vez que a célula inteira está em contato com o fluido de transferência de calor).

Instalação
A instalação dos painéis PV-T inclui:

como qualquer painel solar, painéis de fixação (geralmente, no telhado)
como qualquer painel fotovoltaico, a instalação de cabos elétricos e equipamentos a jusante (inversor, …),
como qualquer painel térmico, um circuito de ventilação, se refrigerado a ar, ou um circuito hidráulico com um acumulador de água quente (se o painel PV-T estiver diretamente ligado a um sistema de água quente disponível na torneira (e não para o único aquecimento), É obrigatório conectar, na saída do estoque, uma misturadora termostática de segurança, para que não se possa queimar com água muito quente.

Sistema de negociação
Vários fabricantes franceses oferecem painéis híbridos: DualSun, Sillia (com um absorvedor de cobre), ABCD Intl, bem como Cogen’air (refrigeração a ar) e Systovi.

Vantagens
A eficiência energética global é significativamente maior do que a dos painéis fotovoltaicos (12-20%), principalmente devido ao componente térmico (que também valoriza a irradiação IR não explorada apenas no PV – 46% do total).

Além disso, a captura térmica tem dois efeitos favoráveis ​​na produção de eletricidade:

As células fotovoltaicas funcionam melhor. Na verdade, sua cor escura porque eles se aquecem ao sol, ou sua eficiência de geração de energia diminui com o calor, especialmente acima de 45 ° C. Em um painel PV-T, o coletor de calor captura as calorias solares, que resfria as células PV e aumenta sua produção especialmente durante os picos de insolação. O calor é injetado em um acumulador (circuito fechado de água / glicol em geral) graças à corrente produzida pelas células fotovoltaicas; isto melhora significativamente a produção de eletricidade (cerca de 15% na região de Paris, segundo os fabricantes).

O resfriamento permanente dos painéis melhora sua vida útil e sua eficiência (aumento do COP das bombas de calor quando uma bomba de calor é associada).

Essas vantagens são particularmente evidentes para painéis em posição central em um telhado.

O custo igual de instalar um painel híbrido é reduzido em comparação com o de um painel solar fotovoltaico e um painel solar térmico.

Um painel PV-T híbrido pode trabalhar mais rápido em caso de neve (ou geada ou névoa) que o obscurece: isso pode ser eliminado pela circulação do fluido de transferência de calor na direção oposta. O painel PV-T também participa durante o tempo quente para reduzir o calor no sótão da casa, arrefecendo o telhado.